Przewodnik po gazach

Przewodnik po chemii dla gazów

Gaz to stan materii bez określonego kształtu lub objętości. gazy mają swoje unikalne zachowanie w zależności od różnych zmiennych, takich jak temperatura, ciśnienie i objętość. Chociaż każdy gaz jest inny, wszystkie gazy działają w podobnej materii. Ten przewodnik badawczy podkreśla koncepcje i prawa dotyczące chemii gazów.

Właściwości gazu

Balon Gazowy. Paul Taylor, Getty Images

Gaz to stan rzeczy . Cząstki tworzące gaz mogą się wahać z pojedynczych atomów do złożone cząsteczki . Kilka innych ogólnych informacji dotyczących gazów:

• Gazy przyjmują kształt i objętość swojego pojemnika.
• Gazy mają mniejszą gęstość niż ich fazy stałe lub ciekłe.
• Gazy są łatwiej skompresowane niż ich faza stała lub ciekła.
• Gazy mieszają się całkowicie i równomiernie w tej samej objętości.
• Wszystkie pierwiastki w grupie VIII to gazy. Gazy te są znane jako Gazy szlachetne .
• Wszystkie pierwiastki, które są gazami w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem, są niemetale .

Nacisk

Ciśnienie jest miara ilość siły na jednostkę powierzchni. Ciśnienie gazu to siła, jaką gaz wywiera na powierzchnię w swojej objętości. Gazy o wysokim ciśnieniu wywierają większą siłę niż gaz o niskim ciśnieniu.
The TAK jednostką ciśnienia jest paskal (symbol Pa). Pascal jest równy sile 1 niutona na metr kwadratowy. Ta jednostka nie jest zbyt przydatna w przypadku gazów w warunkach rzeczywistych, ale jest to standard, który można zmierzyć i odtworzyć. Z biegiem czasu rozwinęło się wiele innych jednostek ciśnieniowych, głównie zajmujących się gazem, który najbardziej znamy: powietrzem. Problem z powietrzem, ciśnienie nie jest stałe. Ciśnienie powietrza zależy od wysokości nad poziomem morza i wielu innych czynników. Wiele jednostek ciśnienia pierwotnie opierało się na średnim ciśnieniu powietrza na poziomie morza, ale zostało znormalizowanych.

Temperatura

Temperatura jest właściwością materii związaną z ilością energii cząstek składowych.
Opracowano kilka skal temperatury do pomiaru tej ilości energii, ale standardową skalą SI jest Skala temperatury Kelvina . Dwie inne popularne skale temperatury to skale Fahrenheita (°F) i Celsjusza (°C).
The Skala Kelvina to bezwzględna skala temperatury stosowana w prawie wszystkich obliczeniach gazu. Podczas pracy z problemami z gazem ważne jest, aby konwertować odczyty temperatury do Kelvina.
Wzory przeliczania między skalami temperatury:
K = °C + 273,15
°C = 5/9 (°F - 32)
°F = 9/5°C + 32

STP - Standardowa temperatura i ciśnienie

STP oznacza standardowa temperatura i ciśnienie. Odnosi się do warunków pod ciśnieniem 1 atmosfery w temperaturze 273 K (0 °C). STP jest powszechnie stosowany w obliczeniach związanych z gęstością gazów lub w innych przypadkach obejmujących: standardowe warunki państwowe .
W STP mol gazu doskonałego zajmie objętość 22,4 l.

Prawo ciśnień cząstkowych Daltona

Prawo Daltona stwierdza, że ​​całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie wszystkich poszczególnych ciśnień samych gazów składowych.
P_całkowity= P_{Gaz 1}+ P_{Gaz 2}+ P_{Gaz 3}+ ...
Znane jest indywidualne ciśnienie gazu składowego jak ciśnienie cząstkowe gazu. Ciśnienie cząstkowe oblicza się według wzoru
P_i= X_iP_całkowity
gdzie
P_i= ciśnienie cząstkowe poszczególnych gazów
P_całkowity= ciśnienie całkowite
X_i= ułamek molowy pojedynczego gazu
Ułamek molowy X_i, oblicza się dzieląc liczbę moli danego gazu przez całkowitą liczbę moli gazu mieszanego.

Prawo gazowe Avogadro

Prawo Avogadro stwierdza, że ​​objętość gazu jest wprost proporcjonalna do liczba moli gazu, gdy ciśnienie i temperatura pozostają stałe. Zasadniczo: gaz ma objętość. Dodaj więcej gazu, gaz zajmuje większą objętość, jeśli ciśnienie i temperatura się nie zmieniają.
V = kn
gdzie
V = objętość k = stała n = liczba moli
Prawo Avogadro można również wyrazić jako
W_i/n_i= V_f/n_f
gdzie
W_ii V_fsą tomy początkowe i końcowe
n_ioraz n_fto początkowa i końcowa liczba moli

Prawo gazowe Boyle'a

Prawo gazowe Boyle'a stwierdza, że ​​objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia, gdy temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie.
P = k/V
gdzie
P = ciśnienie
k = stała
V = objętość
Prawo Boyle'a można również wyrazić jako
P_iW_i= P_fW_f
gdzie P_ii p_fto ciśnienie początkowe i końcowe V_ii V_fsą ciśnienia początkowe i końcowe
Wraz ze wzrostem objętości spada ciśnienie lub wraz ze spadkiem objętości ciśnienie wzrasta.

Prawo gazowe Karola

Prawo gazowe Karola stwierdza, że ​​objętość gazu jest proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej, gdy ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie.
V = kT
gdzie
V = objętość
k = stała
T = temperatura bezwzględna
Prawo Karola można również wyrazić jako
W_i/T_i= V_f/T_i
gdzie V_ii V_fsą tomy początkowe i końcowe
T_ioraz T_fsą początkowe i końcowe temperatury bezwzględne
Jeśli ciśnienie będzie utrzymywane na stałym poziomie, a temperatura wzrośnie, objętość gazu wzrośnie. W miarę ochładzania się gazu jego objętość zmniejszy się.

Prawo gazowe Guy-Lussaca

Facet -Prawo gazowe Lussaca stwierdza, że ​​ciśnienie gazu jest proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej, gdy objętość jest utrzymywana na stałym poziomie.
P = kT
gdzie
P = ciśnienie
k = stała
T = temperatura bezwzględna
Prawo Guy-Lussaca można również wyrazić jako
P_i/T_i= P_f/T_i
gdzie P_ii p_fsą ciśnienia początkowe i końcowe
T_ioraz T_fsą początkowe i końcowe temperatury bezwzględne
Jeśli temperatura wzrośnie, ciśnienie gazu wzrośnie, jeśli objętość będzie utrzymywana na stałym poziomie. W miarę ochładzania się gazu ciśnienie spada.

Prawo gazu doskonałego lub prawo gazu kombinowanego

Znane również prawo gazu doskonałego jako połączone prawo gazowe , jest kombinacją wszystkich zmienne w poprzednich prawach gazowych . The idealne prawo gazu wyraża się wzorem
PV = nRT
gdzie
P = ciśnienie
V = objętość
n = liczba moli gazu
R = idealna stała gazowa
T = temperatura bezwzględna
Wartość R zależy od jednostek ciśnienia, objętości i temperatury.
R = 0,0821 litra·atm/mol·K (P = atm, V = L i T = K)
R = 8,3145 J/mol·K (ciśnienie x objętość to energia, T = K)
R = 8,2057 m³·atm/mol·K (P = atm, V = metry sześcienne i T = K)
R = 62,3637 L·Torr/mol·K lub L·mmHg/mol·K (P = torr lub mmHg, V = L i T = K)
Prawo gazu doskonałego działa dobrze dla gazów w normalnych warunkach. Niesprzyjające warunki to wysokie ciśnienia i bardzo niskie temperatury.

Kinetyczna teoria gazów

Kinetyczna teoria gazów to model wyjaśniający właściwości gazu doskonałego. Model przyjmuje cztery podstawowe założenia:

1. Zakłada się, że objętość poszczególnych cząstek tworzących gaz jest nieistotna w porównaniu z objętością gazu.
2. Cząsteczki są w ciągłym ruchu. Zderzenia cząstek z brzegami pojemnika powodują ciśnienie gazu.
3. Poszczególne cząstki gazu nie wywierają na siebie żadnych sił.
4. Średnia energia kinetyczna gazu jest wprost proporcjonalna do bezwzględnej temperatury gazu. Gazy w mieszaninie gazów o określonej temperaturze będą miały taką samą średnią energię kinetyczną.

Średnia energia kinetyczna gazu wyraża się wzorem:
KE_zdrowaśka= 3RT/2
gdzie
KE_zdrowaśka= średnia energia kinetyczna R = idealna stała gazu
T = temperatura bezwzględna
The Średnia prędkość lub pierwiastek średniej kwadratowej prędkości poszczególnych cząstek gazu można znaleźć za pomocą wzoru
w_rms= [3RT/M]^1/2
gdzie
w_rms= średnia lub średnia pierwiastkowa prędkość kwadratowa
R = idealna stała gazu
T = temperatura bezwzględna
M = masa molowa

Gęstość gazu

The gęstość gazu doskonałego można obliczyć za pomocą wzoru
ρ = PM/RT
gdzie
ρ = gęstość
P = ciśnienie
M = masa molowa
R = idealna stała gazowa
T = temperatura bezwzględna

Prawo dyfuzji i efuzji Grahama

Prawo Grahama atates szybkość dyfuzji lub wysięk dla gazu jest odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego masy molowej gazu.
r(M)^1/2= stała
gdzie
r = szybkość dyfuzji lub wysięku
M = masa molowa
Szybkości dwóch gazów można porównać do siebie używając formuły
r₁/r_dwa= (M_dwa)^1/2/(M₁)^1/2

Gazy królewskie

Prawo gazu doskonałego jest dobrym przybliżeniem zachowania gazów rzeczywistych. Wartości przewidywane przez prawo gazu doskonałego zazwyczaj mieszczą się w granicach 5% zmierzonych wartości rzeczywistych. Prawo gazu doskonałego zawodzi, gdy ciśnienie gazu jest bardzo wysokie lub temperatura jest bardzo niska. Równanie van der Waalsa zawiera dwie modyfikacje prawa gazu doskonałego i służy do dokładniejszego przewidywania zachowania gazów rzeczywistych.
Równanie van der Waalsa to
(P + an^dwa/W^dwa)(V - nb) = nRT
gdzie
P = ciśnienie
V = objętość
a = stała korekcji ciśnienia unikalna dla gazu
b = stała korekcji objętości unikalna dla gazu
n = liczba moli gazu
T = temperatura bezwzględna
Równanie van der Waalsa zawiera korektę ciśnienia i objętości, aby uwzględnić interakcje między cząsteczkami. W przeciwieństwie do gazów idealnych, poszczególne cząstki gazu rzeczywistego wchodzą ze sobą w interakcje i mają określoną objętość. Ponieważ każdy gaz jest inny, każdy gaz ma swoje własne poprawki lub wartości dla aib w równaniu van der Waalsa.

Arkusz ćwiczeń i test

Sprawdź, czego się nauczyłeś. Wypróbuj te arkusze do wydrukowania przepisów dotyczących gazów:
Arkusz praw gazowych
Arkusz praw gazowych z odpowiedziami
Arkusz praw gazowych z odpowiedziami i pokazaną pracą
Istnieje również test praktyczny z prawa gazowego z odpowiedziami do dyspozycji.